塔里木河下游地下水恢复需水量研究

阿德·阿布拉

（新疆塔里木河流域干流管理局,新疆 库尔勒 841000）

1 引言

生态需水量是目前生态环境等学科研究的热点内容,在保育、修复以及开发利用生态系统时都会涉及到生态需水的问题。生态需水指确保环境功能得以维持所需要的水资源量。水资源是限制干旱地区发展的重要因素,也是生态环境保护的关键所在。当前,人类在不同程度上对干旱地区的水资源进行开发,生活用水与生态需水的矛盾逐渐增大。因此急需对干旱地区的生态需水进行研究,在确保生活用水的前提下,最大可能满足生态需水的要求。塔里木河有着1320 km 长的干流,自恰拉开始则为其下游,长约427 km,宽约50 m,有着40 m3/s 的过流能力。自建成大西海水库之后,塔里木河下游段即有断流现象出现,在1974 年时台特马湖干枯,在1972 年罗布泊干枯,大西海水库成为塔里木河的尾端。此后,断点不断上移到了恰拉断面,断流的河长度增长到427 km。地下水位因地表断流而不断降低,植被开始枯死,林带逐渐变得稀疏,因此,急需保护和恢复地下水位。

2 地下水变化原因分析

2.1 堤防的影响

塔里木河的年降水量在70 mm 以下,因此难以有地表径流形成。仅在洪水期时,河道才会在上游来水的作用下增加径流,漫溢在下游路段,下渗补充两岸的地下水。在修建堤防之后,能够使其防洪的能力有所上升,从而避免河水漫溢的情况出现,导致河堤两岸地下水无法得到补充[1]。在堤防的作用下,地下水的矿化度呈现出逐年增长的趋势,而随着水分的不断蒸发,地下水位持续性降低,含盐量表现出不断增长的趋势,导致生态退化的可能性变大。

2.2 水量变化的影响

塔里木河下游断流长度和时间不断增长,导致其水位持续降低,生态环境恶化。自2000 年起开展生态输水之后,使河道水量得到有效的增加,地下水位显著提升,特别是堤防周围植被密度和种类也有所增加[2]。说明在堤防修建之后,约束了河流部门地段的满溢区,但堤防外的地下水位以及地表生态均会受到河道水情的影响。对于塔里木河的生态而言,持续性进行生态输水对确保其安全至关重要。

2.3 蒸发对地下水位的影响

下游区间的水面蒸发量以库尔勒站为代表进行研究。1 月～6 月的在不同区间下的水面蒸发总量为597.10 mm,7 月、8 月和9 月不同区间下的水面蒸发量分别为182.72 mm、165.60 mm 以及114.06 mm,10 月～12 月的水面蒸发总量为106.57 mm,全年总共为1166.05 mm。基于该段河流397 km的长度以及86.54 m 的宽度,在0.56 的折算系数之下,对下游河道分时段的蒸发量进行计算可以得到：1 月～6 月的总蒸发量为0.116 亿m3；7 月、8 月以及9 月的总蒸发量为0.035 亿m3、0.032 亿m3、0.021 亿m3；10 月～12 月的总蒸发量为0.020 亿m3,全年累计有0.224 亿m3的蒸发量。在较大的蒸发量下,无法确保水资源补充充分时,必然会降低河道生态基流,导致地下水位有所降低。

3 径流变化与地下水位关系

为对地下水位和塔里木河径流的联系进行研究,本文共选取6 眼地下水进行观测。所选研究对象处于沙吉力克河口的河道北岸处,与提防的距离分别为100 m、300 m、500 m、800 m、1000 m 以及1500 m。为研究地下水位的时空动态变化过程和趋势,本次监测时间为1～2 次每两个月。

塔里木河区内地下水主要通过地表水进行补充,而其补充方式主要有两种。一是线性渗漏式补给,在输水时河道的引水渠通过下渗以及两侧渗漏的方式进行转化,其主要呈现出两侧线性的补给范围,而地表径流的大小决定了补给量和范围；二是面状渗漏补给,主要是由农田灌溉或水库等方式渗漏成地下水。此次研究基于现有资料,以建立地表径流和地下水埋深之间的曲线方式来了解其变化情况。

通过对现有数据的分析研究可以发现,塔里木河径流和地下水埋深存在较好的线性关系,为确保数据的典型性,本文仅对2015 年～2019 年的恰拉断面数据进行拟合,所得结果见图1。

图1 恰拉径流与地下水埋深关系

从图1 可发现,该断面的年径流量和地下水埋深存在较高的年变化相关性,拟合的R2值均较高,表明所采用方式有着较高的精准度。自2005 年～2019 年,地下水位的埋深随着不断增加的径流量而表现出逐渐上升的趋势,其原因在于地下水主要通过地表径流进行补充,地下水的埋深基本可通过年径流量大小进行表示,对比数据可以发现,与河岸地方相距800 m 以内的地方,地下水的埋深和径流量存在较好的相关性,说明地下水位受地表径流的影响较大。在与河岸提防相距800 m 以上的地方,地表径流和地下水的埋深有着较好的相关性,但地表径流对地下水的影响存在滞后性。

4 地下水埋深对地表制备的影响

根系的水分供应决定了该地区植被的生长,而持续进行的生态输水正是最直接的地下水补充方式[3-4]。自2000 年来实施的生态输水工程有效遏制了生态环境的退化。但塔里木河的下游段降水量较少,年蒸发量又多在2000 mm～3000 mm,仅依靠天然降水难以确保植物生命。塔里木河下游段的植被生产力实测值见表1。

表1 塔里木河下游植被生产力实测值

地下潜水是天然植被维护生命的重要方式[5-6]。因当前下游路段常出现断流现象,因此该路段的地下水存在较大的亏损,必须人工加水,抬高地下水到目标水位,也称恢复水量。此外,植被正常生长所需水量则称为蓄水量。地下水在空间和时间上均确保了植物的需水量,越深的地下水位越能确保植物的生长[7]。

表2 不同植被类型地下水埋深

可知,植被的覆盖度在越高的地下水埋深下均比其植被类型大,表明在塔里木河下游植被的生长以及生态环境保护中地下水起到了重要的作用。

5 地下水恢复水量计算

图2 地下水恢复量示意图

为恢复下游生态环境,塔里木河自2000 年起就开展生态输水。在调水径流的作用下,下游的河道两岸有着较为显著的地下水位的抬升,但生态输水具有阶段性,因此塔里木河下游段的地下水位并没有持续性抬升[8-9]。通过确定的地下水在不同地段水位变动带饱和差,以1.36 g/cm3作为下游的土壤容重,对三年内下游段地下水恢复到4 m～5 m 所需的输水量进行计算,所得结果见表3。

表3 地下水恢复到4 m 和5 m 时恢复需水量

从计算结果可以看出,塔里木河若需要在3 年内恢复地下水位,既将其恢复到5 m,则共需要1.59×108m3的恢复水量,若需要将其恢复至4 m,则总共需要3.42×108m3的恢复水量。

6 结语

在常年性河流中,为使河流基本生态功能得以维持,必须保证河流最小的生态需水量得以满足,这就需要河道径流量在各时间段内都能保持在一定水平,不会有断流等现象出现以至破坏河流生态功能。本文通过对植被生长和地下水的联系进行研究分析,提出了若需要在3 年内实现恢复5 m 的地下水埋深,则需要1.59×108m3的恢复水量,若需要实现恢复4 m 的地下水埋深,则需要3.42×108m3的恢复水量的结论,为确保塔里木河生态环境提供了科学依据,为开展生态补水工程提供了理论参考。